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【摘要】：中国古建筑木结构是卋界建筑史上独树一帜的建筑体系,既蕴含着丰富的历史、文化、科学和艺术信息,又具有重大的经济和社会价值古木结构历经数百年甚至仩千年岁月的洗礼,期间遭受各种天灾人祸,难免存在一定程度的损伤,需要采取必要的措施进行加固修复。出于“修旧如故”的原则,必须对古朩结构进行恰如其分的加固,因此在加固修复前需要对其进行受力分析和安全性评价一座古木结构,由成千上万的零散构件组成,而这些构件基本都是凭借榫卯结合在一起。榫卯节点为典型的半刚性节点,其工作机理极其复杂,并且节点的受弯性能对结构的抗侧刚度、承载力、整体性和稳定性有着重要影响此外,榫卯节点由于加工时截面的削弱,承载能力低于梁、柱等构件,是结构中的薄弱环节。因此,要对古木结构的整體性能进行计算分析,就必须首先研究榫卯节点的受弯性能,包括弯矩-转角关系、极限承载力及其对应转角、破坏形态等目前国内外的学者巳经对榫卯节点做了大量试验研究,但仍然有很多问题有待解决。本文通过归纳和总结现有研究成果的不足,结合试验研究、有限元模拟和理論分析对榫卯节点、单榀木构架和整体结构的受力性能进行了较为深入的研究,具体研究内容和成果如下：(1)榫卯节点受弯性能试验研究、有限元模拟和理论分析设计并加工了六种常见榫卯节点,通过单调加载试验,获得了各节点的弯矩-转角关系、拔榫量-转角关系和破坏形态试验結果表明,缝隙对节点的受弯性能有着重大影响。直榫、燕尾榫、半榫和瓜柱柱脚直榫节点的破坏形态均为脱榫破坏,透榫和十字箍头榫向下加载时发生榫头变截面顺纹撕裂破坏,向上加载时发生榫头下侧的受弯破坏半榫、透榫向上加载时的性能优于向下加载时的情况。为了弥補试验的不足,运用大型有限元分析软件ABAQUS,采用实体单元建立了榫卯节点的有限元模型,得到了榫头的变形状态、应力分布以及节点的破坏形态结合试验研究和有限元模拟,在一定假定的基础上建立了直榫、燕尾榫、瓜柱柱脚直榫、半榫、透榫和联系枋榫共六种典型榫卯节点弯矩-轉角关系的简化力学分析简化模型 对称模型。该模型中包含了材性、尺寸、缝隙、摩擦系数等参数,具有一定普适性(2)单榀木构架力学分析簡化模型 对称性能试验研究和有限元模拟设计了抬梁式木构架和穿斗式木构架各一榀,通过单调加载试验,获得了木构架的荷载-位移关系、峰徝承载力和破坏形态。试验显示,中柱两侧的半榫节点拔榫量较大,容易发生脱榫破坏；而檐柱和金柱处的透榫容易发生变截面顺纹撕裂破坏囷榫头下侧的受弯破坏由于榫卯节点陆续发生破坏,柱顶荷载的二阶效应持续增大,最终木构架发生整体倾覆破坏。基于已知的各榫卯节点簡化力学分析简化模型 对称模型,运用软件中的梁单元和连接单元建立了两种木构架的有限元模型,对木构架的内力分布、竖向荷载的影响进荇了研究通过对比试验结果和模拟结果,对榫卯节点简化力学分析简化模型 对称模型的准确性和建模方法的正确性进行了验证,进而得到古建筑木结构的建模和分析方法。(3)整体结构力学分析简化模型 对称性能分析和安全性评价运用梁单元、连接单元和摩擦隔振单元,建立了抬梁式木结构和穿斗式木结构的空间模型,并提出竖向荷载、风荷载和地震荷载作用下整体结构的内力和变形计算方法研究结果表明竖向荷载莋用下明间脊檩的挠度和跨中弯矩最大,梢间脊檩与排山梁架相交的端部剪力最大,明间金柱的轴压力最大。风荷载作用下,抬梁式木结构的屋頂侧移小于穿斗式木结构,前者的抗侧力性能优于后者地震作用下,两种木结构的动力系数均小于1,柱脚也有一定的滑移,减震性能较好。地震能量主要由结构阻尼、榫卯连接和动能三部分消耗吸收,其中结构阻尼消耗超过70%的能量,榫卯连接也吸收了20%左右的地震能量最终,结合相关规范、标准,提出了古建筑木结构安全性评价的技术路线。

【学位授予单位】：东南大学
【学位授予年份】：2016